p38-MAPK 信號通路對骨骼肌再生的影響研究進展

黨彩霞，朱袁婕，包雅婷，姚麗華，龔妍春

（江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013）

1 前言

骨骼肌約占人體總質(zhì)量的40%[1]，在機體中發(fā)揮著重要的作用，如自主完成運動、呼吸、分泌等多項生理功能[2]。骨骼肌具有較強的再生能力和適應(yīng)能力，在受到損傷時，可以通過再生修復(fù)來恢復(fù)肌肉質(zhì)量和維持機體功能的正常運轉(zhuǎn)[3]。在細胞外基質(zhì)以及肌源調(diào)控因子等因素的影響下，受損的骨骼肌肌膜下肌衛(wèi)星細胞被激活，轉(zhuǎn)化為具有增殖分化潛能的成肌細胞，并進而分化形成新的肌纖維[3]。

骨骼肌損傷主要分為拉傷、挫傷和裂傷等情況。骨骼肌的損傷及再生修復(fù)主要伴隨著肌纖維破裂、水腫、炎癥反應(yīng)、肌纖維再生、肌肉功能能力恢復(fù)等情況[4]。骨骼肌再生又可分為三個階段：炎癥階段、衛(wèi)星細胞激活與分化階段和成熟階段[3，5]。損傷初期，肌纖維破裂收縮，巨噬細胞清除細胞碎片并通過分泌生長因子來激活位于肌肉細胞膜和基板之間包裹著每個肌肉纖維的衛(wèi)星細胞[6]；衛(wèi)星細胞被激活形成成肌細胞，增殖分化形成肌管，最后成熟為成肌纖維[7]。然而，若骨骼肌修復(fù)損傷嚴(yán)重，破裂的肌纖維有可能保持分裂，無法完全愈合，形成疤痕，甚至?xí)绊懠∪夤δ躘4，6]。

信號通路的激活以及啟動和轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因、蛋白、生長因子的調(diào)控對于骨骼肌損傷修復(fù)的病理過程至關(guān)重要[8，9]，其中作為受體信號的p38-MAPK 信號通路是細胞內(nèi)傳導(dǎo)的重要途徑之一，具有調(diào)節(jié)骨骼肌生長發(fā)育、基因表達、適應(yīng)環(huán)境應(yīng)激等的功能[10]。p38-MAPK 信號通路和骨骼肌細胞的增殖分化有著緊密的聯(lián)系，其主要通過調(diào)節(jié)生肌調(diào)控因子家族的表達，促進肌源蛋白的合成[11]。本文從p38-MAPK信號通路的角度分析并綜述了骨骼肌再生的機制，為進一步治療骨骼肌損傷提供一定的臨床參考。

2 MAPK/p38-MAPK 信號通路的組成及調(diào)節(jié)

2.1 MAPK 家族與結(jié)構(gòu)

MAPK 信號通路分為4 個亞族：ERK、p38-MAPK、JNK 和ERK5[12]。其中，p38-MAPK 和JNK 主要通過環(huán)境應(yīng)激和促炎刺激激活，而ERK 主要由胰島素、有絲分裂原和生長因子激活。MAPK 信號通路廣泛存在于機體調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，與機體生長發(fā)育、免疫調(diào)節(jié)、細胞死亡等過程密切相關(guān)。

MAPK 信號通路是由MAPK 激酶激酶（MAP kinase kinase kinase，MKKK）、MAPK 激 酶（MAP kinase kinase，MKK）和MAPK 基本組成的一種三級級聯(lián)模式。MAPK 激酶通過蘇氨酸和酪氨酸雙位點同時磷酸化激活MAPK 信號通路。這兩個磷酸位點不在同一位置，而是被一氨基酸隔開，形成三肽基TXY。TXY 位于LOOP12 環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，而多種蛋白激酶活性包括MAPK 在內(nèi)均取決于LOOP12 的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位于蛋白激酶的亞區(qū)之間的分子表面并臨近活性位點。當(dāng)受到細胞因子、神經(jīng)遞質(zhì)、激素、細胞應(yīng)激等胞外刺激時，上述激酶依次被激活，共同調(diào)節(jié)細胞的病理過程，如當(dāng)骨骼肌發(fā)生損傷時，這三種激酶促進骨骼肌細胞增殖分化形成新的肌細胞，進而調(diào)節(jié)骨骼肌細胞的生理病理過程[13，14]。以p38-MAPK 信號通路為例，當(dāng)細胞受到外界刺激如炎癥因子增加、細胞損傷、低氧脅迫等時，MKKK、MKK 依次被激活，MAPK 發(fā)生雙位點磷酸化，進而進入細胞核中，細胞核內(nèi)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生磷酸化，從而激活該通路。

2.2 p38-MAPK 信號通路

p38-MAPK 信號通路是絲氨酸/蘇氨酸激酶，可以把細胞因子、生理性應(yīng)激、活性氧等細胞外信號與細胞內(nèi)機制聯(lián)系起來。當(dāng)細胞受到由細胞外傳遞而來的信號刺激后，MKKK、MKK 被激活，MAPK 發(fā)生磷酸化，p38-MAPK 信號通路被激活，從而調(diào)控其下游轉(zhuǎn)錄因子參與炎癥反應(yīng)、細胞分化[10]、組織再生[15]等過程。p38-MAPK 信號通路在非磷酸化的狀態(tài)下是不活躍的，細胞因子、損傷等不同刺激下可引發(fā)其可逆磷酸化。磷酸化的p38-MAPK 信號通路可以激活蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子等多種底物[16]。p38 由p38a、p38β、p38γ 和p38δ 四種異構(gòu)體構(gòu)成[17]，在激酶結(jié)構(gòu)域內(nèi)具有高度的同一性和氨基酸序列同源性[18]。P38異構(gòu)體作為信號通路中的關(guān)鍵成員，可以將細胞外信號傳到細胞內(nèi)，參與細胞自身免疫、炎癥等反應(yīng)。四種p38 異構(gòu)體通過磷酸化將細胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)到細胞內(nèi)[19]。在該激酶家族的成員中，p38α 是研究最多的[15，18]，常常被用作炎癥和癌癥的靶點。然而，它是作為抑制劑還是促進劑常常取決于不同的癌癥類型或者不同癌癥的發(fā)展階段。其他幾種亞型普遍在特定的組織中有著不同的表達水平，如p38β 在大腦中大量表達、p38γ 在骨骼肌中高表達、p38δ 在胰腺、腎臟和小腸中高表達[15，18]。由此可見，p38-MAPK信號通路的激活是在廣泛刺激下由一系列激酶介導(dǎo)的三層級聯(lián)反應(yīng)依次激活[19]。

p38-MAPK 信號通路的調(diào)節(jié)十分復(fù)雜。p38α 的激活可以通過MKK 非依賴性機制調(diào)節(jié)，還可以通過p38α 甲基化等活化等方式改變激活劑和底物的作用[18]，從而進一步調(diào)節(jié)其蛋白磷酸化。p38-MAPK 信號通路在骨骼肌生成的每個階段都發(fā)揮著積極作用[20，21]。p38 作為成肌細胞增殖分化轉(zhuǎn)變的調(diào)節(jié)因子，誘導(dǎo)成肌細胞退出細胞周期并表達肌源性基因[16]。由此可見，p38-MAPK 信號通路在骨骼肌再生方面起著重要的作用[17]。除此之外，該通路在骨骼肌生長發(fā)育和肌肉代謝等方面[22]也起著至關(guān)重要的作用。

3 骨骼肌再生的分子基礎(chǔ)

當(dāng)骨骼肌損傷后，在轉(zhuǎn)錄因子、信號通路等多種因素的調(diào)控下，骨骼肌干細胞——肌衛(wèi)星細胞會發(fā)生增殖分化，是成肌細胞的前體細胞，當(dāng)骨骼肌細胞處于正常狀態(tài)時，其未被激活呈靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)骨骼肌細胞受到外界刺激發(fā)生損傷時，其能及時接收到信號并作出反應(yīng)、增殖分化產(chǎn)生新的肌細胞[23]。

損傷后的骨骼肌在修復(fù)和再生時首先需要骨骼肌細胞恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，之后再逐漸恢復(fù)完全分化組織和器官的能力。肌衛(wèi)星細胞的增殖和分化受多個基因蛋白表達調(diào)控，其中主要有成肌分化因子（myogenic diffrentiation antigen，MyoD）、肌源性因子5（myogenic factor 5，Myf5）、肌細胞生成素（myogenic factor 4，Myogenin）、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子MRF4、成對框基因（paired box gene，Pax7）等[24，25]轉(zhuǎn)錄因子。在骨骼肌再生過程中，這些轉(zhuǎn)錄因子之間相互作用。首先，靜息狀態(tài)下的衛(wèi)星細胞表達Pax7，缺乏表達MyoD 和MyoG，可能表達或不表達Myf5。進入成肌細胞時期，衛(wèi)星細胞進入細胞周期并自我復(fù)制，表達Myf5 和MyoD。當(dāng)增殖到一定數(shù)量后，一部分細胞會退出細胞周期，維持骨骼肌再生能力；一部分細胞繼續(xù)分化，下調(diào)對Pax7 的表達并表達晚期轉(zhuǎn)錄因子MyoG。緊接著，在MyoG 的調(diào)控下，特異性融合成多核肌管，形成新的肌纖維來填充骨骼肌受損區(qū)域（圖1）。最后，衛(wèi)星細胞發(fā)生一系列級聯(lián)反應(yīng)，使骨骼肌具有強大的再生能力。肌膜損傷可以啟動相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，激活骨骼肌再生。膜損傷后誘導(dǎo)眾多細胞激活釋放和合成相關(guān)信號分子，促進骨骼肌再生。若骨骼肌受到慢性損傷，骨骼肌則無法完全再生。

圖1 p38-MAPK 信號通路對骨骼肌損傷修復(fù)的機制

骨骼肌的生長發(fā)育過程還受到多種遺傳因子的調(diào)控，如肌生成因子、成肌增強因子等[26]。例如，胰島素樣生長因子可以啟動細胞自啟動的級聯(lián)反應(yīng)，進而促進MyoD 等誘導(dǎo)的骨骼肌發(fā)育相關(guān)基因進入轉(zhuǎn)錄過程。該基因表達水平的變化會影響到骨骼肌生長發(fā)育相關(guān)基因的表達，進而影響到成肌細胞的增殖與分化。

4 p38-MAPK 信號通路對骨骼肌再生的影響

4.1 p38-MAPK 信號通路與肌衛(wèi)星細胞

p38-MAPK 信號通路可以調(diào)控諸多細胞的成熟與存活狀況，并影響細胞轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成等生物學(xué)效應(yīng)。肌衛(wèi)星細胞激活，增殖分化在骨骼肌的損傷修復(fù)中起著決定性的作用。該通路的激活會誘導(dǎo)MyoD 和E 蛋白的異質(zhì)化，促進肌肉特異性基因上調(diào)[27]，同時會誘導(dǎo)靜息肌肉干細胞的激活[28]，進而促進肌細胞的增殖分化，從而促進骨骼肌進行再生修復(fù)。DengK 等[29]通過對細胞進行肥胖相關(guān)蛋白介導(dǎo)的m6GADD45BmRNA 修飾后發(fā)現(xiàn)，一種參與DNA 甲基化和去甲基化等過程的表觀遺傳調(diào)控基因GADD45B可通過激活p38-MAPK 途徑促進肌源性分化。然而，當(dāng)骨骼肌受損時，如何刺激機體激活p38-MAPK信號通路并募集更多肌衛(wèi)星細胞參與調(diào)節(jié)骨骼肌損傷修復(fù)還需要進一步研究。如何進一步減少肌肉血腫和瘢痕的形成，對骨骼肌的恢復(fù)也十分重要。

4.2 p38-MAPK 信號通路與骨骼肌再生

當(dāng)骨骼肌發(fā)生損傷時，p38-MAPK 信號通路會發(fā)生一系列變化，在骨骼肌再生中起著重要的作用。在小鼠骨骼肌損傷中，p38-MAPK 信號通路的激活會受到限制，進而導(dǎo)致胰島素樣生長因子等細胞因子的表達發(fā)生改變，巨噬細胞表型轉(zhuǎn)變，進而促進骨骼肌的再生與修復(fù)[30]。同時，浸潤性巨噬細胞對急性骨骼肌損傷的修復(fù)至關(guān)重要。肌內(nèi)巨噬細胞的消耗或者巨噬細胞對肌衛(wèi)星細胞招募的破壞將會導(dǎo)致急性損傷修復(fù)不良，而巨噬細胞在功能上是異質(zhì)性的，其促炎、抗炎或促再生作用的發(fā)揮取決于組織環(huán)境[31，32]。

p38-MAPK 信號通路的激活會使其底物殘基磷酸化，包括一些轉(zhuǎn)錄因子和蛋白激酶，進一步激活衛(wèi)星細胞，激活的衛(wèi)星細胞進入細胞周期，形成肌纖維及新的肌細胞，改善骨骼肌損傷。然而p38-MAPK 信號通路過度的激活，可以使細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p21 或p16 水平增強，從而抑制衛(wèi)星細胞增殖，并進一步抑制骨骼肌損傷的衰老小鼠肌衛(wèi)星細胞再生[33]。也有研究表明，在環(huán)境應(yīng)激反應(yīng)時，p38-MAPK 信號通路通過提高肌球蛋白重鏈基因表達促進肌衛(wèi)星細胞分化[34]，進一步調(diào)節(jié)肌纖維的形成。通過對機制進一步研究發(fā)現(xiàn)，p38 磷酸化蛋白水平上調(diào)，可激活p38-MAPKγ 信號通路，促進肌細胞分化[35]。相反，敲除p38-MAPK 信號通路會導(dǎo)致肌細胞被抑制，無法正常增殖分化[36]。以上研究進一步說明，p38-MAPK 信號通路的激活并保持穩(wěn)定對骨骼肌再生與修復(fù)有著十分重要的作用[37]。

5 結(jié)論

在體育活動和日常生活中，骨骼肌損傷是十分常見的情況，會引起機體的一系列反應(yīng)并對其正常活動造成不利的影響。其中，損傷后的再生修復(fù)在維持骨骼肌的功能中起著關(guān)鍵作用。骨骼肌損傷后通過調(diào)控p38-MAPK 信號通路的蛋白表達，并誘導(dǎo)其磷酸化來調(diào)控細胞中的多種生物功能，促進肌衛(wèi)星細胞的增殖與分化，融合成新的肌管，并進一步形成肌纖維，在骨骼肌的發(fā)育及再生修復(fù)中發(fā)揮著不可替代的作用。該通路在骨骼肌的再生修復(fù)過程中不僅可調(diào)控細胞因子的表達，還能夠調(diào)控蛋白質(zhì)的合成與降解，然而，其具體調(diào)控機制還需進一步研究來闡述。總之，本文探討了p38-MAPK 信號通路在骨骼肌損傷修復(fù)中的作用，不僅為其具體調(diào)控機制提供了理論依據(jù)，而且為其損傷修復(fù)提供了新思路和提供新的治療靶點。